JP2014108455A - パルスヒート方式のハンダ付け管理方法および管理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンダ付け部位の特性、例えば大きさ、温度、放熱性、ワークの変形などに変動があっても、ハンダ付けを適切にすることができ、ハンダ付け品質を安定化させる。
【解決手段】パルス電流によりヒータチップの温度管理を行いながらハンダ付けを行うパルスヒート方式のハンダ付け管理方法において、温度ヒータチップ１２の加熱温度上昇途中であってハンダ溶融温度よりも低い所定温度θ₀を始点として、ヒータチップ温度の時間積分値Ｓを継続して求め、この積分値Ｓを設定値と比較することによって、ハンダ付けの管理を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、パルスヒート方式のハンダ付けに適用するハンダ付け管理方法と、管理装置とに関するものである。

従来より広く用いられているリフローハンダ付け装置においては、ヒータチップをワーク（ハンダ付けする対象）に対してばねを介して押圧しながら加熱し、ハンダを溶融させる。そして所定の加熱終了時点になると加熱を停止し（あるいは温度を下げ）ハンダの凝固を待ってヒータチップを上昇させるものである（特許文献１）。

ここに加熱終了時点はヒータチップ温度の上昇中にハンダ溶融温度よりも低い所定温度(始点)になる時点から加熱時間を計測し、この時間が設定値になるとヒータチップの加熱を停止し、冷却させる（特許文献１）。

またハンダを溶融温度まで急速に加熱し、ハンダの溶融に伴うヒータチップの下降を検出してから設定時間の間に前記溶融温度よりも低い接合温度にし、この接合温度状態で設定時間(仕上がり位置保持時間）経過後に冷却を開始してハンダが凝固温度になるとヒータチップを上昇させるものも有る（特許文献２）。

特開２０１１−１１０５７４号公報 特開２０１０−１６７４５０号公報

しかしこのように時間によって加熱の終了を管理するものでは、ワークの特性（大きさ、温度、放熱性、加熱に伴うワークの変形）などの違いによってハンダ付けが不適切になることがあるという問題が有る。例えば一度にハンダ付けするワークの大きさに比べ加熱時間が不足してハンダ付けが不十分になったり、ワークが小さい時などに加熱時間が過大になってワークに熱損傷を発生させたりする恐れがあり得る。また異なるハンダ付け部位に対してヒータチップを順次移動させながら連続してハンダ付けする時には、ハンダ付け開始時のヒータチップ温度が不揃いになり、ハンダ付け品質が不安定化することが考えられる。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ハンダ付け部位の特性、例えば大きさ、温度、放熱性、ワークの変形などに変動があっても、ハンダ付けを適切にすることができ、ハンダ付け品質を安定化することができるパルスヒート方式のハンダ付け管理（監視、モニタリング）方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の実施に直接使用するハンダ付け管理（監視、モニタリング）装置を提供することを第２の目的とする。

この発明によれば第１の目的は、パルス電流によりヒータチップの温度管理を行いながらハンダ付けを行うパルスヒート方式のハンダ付け管理方法において、
温度ヒータチップの加熱温度上昇途中であってハンダ溶融温度よりも低い所定温度を始点として、ヒータチップ温度の時間積分値を継続して求め、この積分値を設定値と比較することによって、ハンダ付けの管理を行うことを特徴とするパルスヒート方式のハンダ付け管理方法、により達成される。

また第２の目的は、パルス電流によりヒータチップの温度管理を行いながらハンダ付けを行うパルスヒート方式のハンダ付け管理装置において、
ヒータチップをワークに対してばねを介して押圧するばね加圧式接合装置と、
ヒータチップを昇降制御する昇降制御手段と、
ヒータチップ温度を検出する温度センサーと、
ヒータチップに供給する加熱電流を制御する温度制御手段と、
ハンダ溶融温度よりも低い所定温度を設定する始点設定手段と、
前記始点設定手段の設定温度を始点として前記ヒータチップ温度の時間積分値を継続して求める積分手段と、
ヒータチップの昇降およびヒータチップ温度を制御すると共に前記積分手段で求めた積分値を設定値と比較することによってハンダ付けの管理を行う主制御手段と、
を備えることを特徴とするパルスヒート方式のハンダ付け管理装置、により達成される。

第１の発明によれば、ヒータチップ加熱中のはんだ溶融温度よりも低い所定温度（θ₀）を始点（その時点をｔ₀）として、時間ｔの関数であるヒータチップ温度（θ）の時間積分値Ｓの演算を行い、この積分値Ｓが設定値に達したことからハンダ付けの管理（監視、モニタリング）を行うものであるから、ワークの加熱量を積分値Ｓにすることができる。ここに加熱量は、積分値Ｓと一定の相関があるから、この方法が適切であると考えられる。

このため、ハンダ付け部位の特性(大きさ、温度、放熱性、ワーク変形など)の違いがあっても加熱量を一定にすることができ、ハンダ付けを適切にすることができる。このためハンダ付け品質を安定化することができる。また第２の発明によれば、第１の発明の実施に直接使用するハンダ付け管理装置が得られる。

この発明の一実施例を示すハンダ付け管理装置のブロック図 そのハンダ付け管理工程を示す動作流れ図 このハンダ接合工程を示す図 他の実施例を示すハンダ付け管理装置のブロック図 そのハンダ付け管理工程を示す動作流れ図

ここに積分値の比較対象である設定値は、チータチップの加熱終了時点までの積分値とすることができる(請求項２）。すなわちこの管理方法では、加熱終了時点（ハンダ付け終了時点）をこの積分値により決定するものである。またこの管理方法は、他の適宜手段によってハンダ付けを終了させた場合にこのハンダ付けが適切であったか否かを判定するものであってもよい。

ハンダ付けの適否を判定する場合は、設定値をヒータチップの適切な加熱終了に対応する積分値を含む所定範囲として設定し、ヒータチップの加熱終了時点での積分値がこの所定範囲内にあればハンダ付けは適切とし、この所定範囲外にあればハンダ付けは不適切とする（請求項３）。

この場合にはハンダ付けの終了を示す加熱終了時点は別の方法によって判別するが、この加熱終了時点は前記特許文献１に示されているように、加熱時間で設定しておくことができる（請求項４）。この加熱終了時点は、ハンダの溶融に伴ってヘッド（ヒータチップ）が下降するので、この下降位置で設定するものであってもよい（請求項５）。

請求項６の管理装置において、設定値はチータチップの加熱終了時点までの積分値を設定し、主制御手段はヒータチップ温度の時間積分値が前記設定値に一致した時にヒータチップの加熱を停止するものとすることができる（請求項７）。

しかし積分値によってハンダ付けの良否を判定することも可能であり、この場合には、設定値を適切な加熱終了に対応する積分値を含む所定範囲として設定しておく。そして主制御手段は、ヒータチップ温度の時間積分値が前記設定値の所定範囲に入っていればハンダ付けは適切とし、所定範囲から外れていればハンダ付けは不適切と判定する（請求項８）。

図１において、符号１０は加圧式接合装置であり、ヒータチップ１２をワーク１４に対してコイルばね１６を介して押圧し、ヒータチップ１２にパルス電流を供給して発熱させることによってワーク１４をハンダ付けするものである。この加圧式接合装置１０は基台部１８と、その上面に設けた水平なワーク保持台２０と、上方へ起立する支柱部２２とを有する。支柱部２２には、前記ワーク保持台２０側の上方に折曲された略逆Ｌ字状の保持部２４が固定されている。この保持部２４の上部は、ワーク保持台２０に保持したワーク１４の上方に延出している。

保持部２４の上部にはアクチュエータとしてのエアシリンダ２６が固定されている。このエアシリンダ２６は、その出力軸であるピストン軸２８を垂直にして保持部２４の上面に固定したものである。ピストン軸２８は保持部２４に設けた開口３０から下方に突出している。なおこのピストン軸２８の中心軸線は垂直であり前記ワーク１４を通る。

ピストン軸２８の上端はシリンダ２６から上方へ突出し、ここにストローク設定ダイヤル３２が螺合している。このダイヤル３２はピストン軸２８の押下ストロークを設定する。シリンダ２６内は、ピストン軸２８に固定したピストン３４により上空気室と下空気室に区画され、上・下空気室の一方にエアポンプ３４の空気圧が昇降制御手段３６で制御されて供給され、この時他方からは空気が排気される。空気を供給する空気室を切り換えることにより、ピストン軸２８を上下動させることができる。

エアシリンダ２６の下方には、上下一対のばねケース３８、４０が支持部２２に上下スライド可能に保持されている。すなわちこれらのばねケース３８、４０にはスライドブロック３８ａ、４０ａが固定され、これらは支持部２２に固定したスライドレール４２に互いに独立して上下動自在に保持されている。ばねケース３８、４０は対向面側が開口し、これらの開口内に前記ピストン軸２８の中心軸線上に位置する前記コイルばね１６が収容されている。

コイルばね１６は、後記するようにヒータチップ１２がワーク１４を加圧した状態で、上下のばねケース３８、４０の対向面間に間隙ができるように、その長さが設定されている。なお前記ストローク設定ダイヤル３２は、ピストン軸２８が上のばねケース３８を押し下げた時にピストン軸２８の最大下降量を設定する。

上のばねケース３８内には、コイルばね１６の上端が下方から当接するフリーピストン４４が上下動自在に収容され、このフリーピストン４４の上面には偏芯カム４６が転接している。偏芯カム４６の水平なカム軸４８は、その一端がばねケース３８を貫通して突出するようにばねケース３８回転自在に保持され、この突出端にダイヤル５０が固定されている。このダイヤル５０の回転によって偏芯カム４６が回転し、フリーピストン４４の高さを調節可能としている。この結果後記するように、ヒータチップ１２がワーク１４を押圧するコイルばね１６のばね力が調節可能になる。

下のばねケース４０の下端にはシャンク５２を介してヒータチップ１２が固定されている。ヒータチップ１２は幅広の電気抵抗材を略Ｕ字状に形成したものであり、給電端子（図示せず）から供給されるパルス電流によって発熱する。このヒータチップ１２の先端付近には熱電対からなる温度センサー５４が固定されている。

図１において５６は温度制御手段であり、前記温度センサー５４が検出するヒータチップ１２の先端温度θを監視して、この温度θを主制御手段５８が出力する指令温度θ_ｔとなるようにヒータチップ１２に供給するパルス電流ｉを制御する。すなわちヒータチップ温度θを指令温度θ_ｔにするようにパルス電流ｉを変化させる。

ここに指令温度θ_ｔは、時間と共に変化する加熱特性を持つ。主制御手段５８はまた、前記の昇降制御手段３４に対してヒータチップ１２の昇降位置を制御する高さ信号ｈを送出する。昇降制御手段３４は、この高さ信号ｈに基づいてエアシリンダ２６の上下の空気室に供給する空気圧を切り換え、ヒータチップ１２の高さとヒータチップ１２のワーク１４に対する押圧力を制御する。

温度制御手段５６は、ヒータチップ１２の温度θを積分手段６０に送る。ここに温度θは、時間ｔと共に変化する時間ｔの関数である。この積分手段６０は、ヒータチップ温度θが始点設定手段６２により設定されたハンダ溶融温度よりも低い所定温度θ₀に到達すると、この温度θ₀を始点としてヒータチップ温度θの時間積分値Ｓを継続して求める。すなわちこの積分値Ｓは、温度θと微小時間経過ｄｔとの積（θ・ｄｔ）を始点θ₀の時点ｔ₀からチータチップ加熱終了の時点ｔ₂まで時間について加算（積分）したものである。この積分値Ｓは、図３における斜線部分の面積に対応する。

ここに加熱終了時点ｔ₂は、積分値設定手段６４で設定される積分値設定値Ｓ₀を前記積分手段６０で求めた積分値Ｓと比較し、これらが一致（Ｓ₀＝Ｓ）することを前記主制御手段５８で検出した時点である。

次にこの実施例の動作を図２、３を用いて説明する。まず始点となる温度θ₀を始点設定手段６２に設定し、また積分値設定値Ｓ₀を積分値設定手段６４に設定する（図２のステップＳ１００）。昇降制御手段３４は主制御手段５８の高さ指令ｈに基づいてヒータチップ（すなわちヘッド）１２を下降させる。ヒータチップ１２の位置（ヘッド位置）がワーク１４に到達しその押圧力が所定圧になると、主制御手段３４はヒータチップ１２にパルス電流を供給し、ヒータチップ１２を所定の加熱特性に基づいて加熱する（ステップＳ１０２）。

ヒータチップ１２の温度すなわちヘッド温度θが始点温度θ₀になると（ステップＳ１０４）、この時点ｔ₀から積分手段６０はθの時間積分を開始する（ステップＳ１０６）。主制御手段５８は、この積分値Ｓが設定値Ｓ₀に到達すると（ステップＳ１０８）、その時点ｔ₂を加熱終了時点としてヒータチップ１２へのパルス電流供給を停止する（ステップＳ１１０）。このためヒータチップ１２の温度θが下降する。

なおハンダの加熱中にハンダがその溶融温度に到達すると、その溶融の進行につれてヒータチップ１２はコイルばね１６の復帰力（押圧力）により次第に下降する。ヘッド位置ｐは加熱中はワーク１４に当たってその下降位置がｐ₁に保たれる。そしてハンダの溶融が始まるとヘッド位置ｐが下降して一定高さｐ₂になる。図３においてＡは、ヒータチップ１２が下降を開始する時点を示す。

ヒータチップ１２がＡから下降開始して、高さｐ₂になる時点がヒータチップ１２の加熱終了時点ｔ₂に一致していれば、加熱量の不足が無く、無駄な加熱時間も無くなり、理想的なハンダ付けが行われる。従来装置では、この加熱終了時点ｔ₂が理想的ハンダ付けになるように加熱中の到達温度θ₁の持続時間Ｔによって設定していた。図３でヘッド位置ｐの変位特性ｐ₃はこの理想的な時のヘッド位置変化を示している。

なおこの図３には参考のために、ハンダが理想的な場合ｐ₃より早く溶融開始してヘッドの下降開始が早い場合をｐ₄で示し、ハンダの溶融開始が遅れた場合をｐ₅で示している。これらｐ₄やｐ₅の場合は、例えばワーク１４の大きさ、温度、放熱性、ワークの変形などによって生じ得るものである。この発明では、一定の加熱時間Ｔに変えて、積分値Ｓを一定にしているので、このようなバラツキの発生を防ぐことが可能になるものである。

以上のようにしてハンダ終了時点ｔ₂で加熱が終了すると、ヒータチップ温度θが次第に下降する。そしてハンダ凝固温度以下に冷えることを検出すると、ヒータチップ１２を上昇させて、一回のハンダ付けを終了する（ステップＳ１１２）。

前記実施例では積分値Ｓを設定値Ｓ₀と比較して両者が一致することによりヒータチップ１２の加熱を終了する。すなわち、ヒータチップ１２へのパルス電流の供給を停止するものである。しかしこの実施例２では、積分値Ｓと設定値Ｓ₀との比較に変えて、ハンダ付け終了後に（ヒータチップ１２の加熱を終了した後に）積分値Ｓが設定値Ｓ₀を含む所定範囲に入っているかを判定し、適切なハンダ付けであるか否かの判定を行うものである。なお図４では、前記図１と同一箇所には同一符号を付したのでその説明は繰り返さない。

この場合ハンダ付けの終了時点は、他の方式により決定するものとする。例えば前記した図３に示すように、加熱中の到達温度θ₁の時間Ｔで設定するもの、ハンダ溶融に伴って下降するヘッドの下降を検出してから設定時間経過後に冷却するもの（特許文献２参照）、あるいは温度θの変化曲線の傾き（接線の微分値）変化で設定するもの、などであってもよい。この実施例２では、適宜方式により加熱終了を検出した時に、この終了点が適切であるかどうかを判定するものである。

この実施例２は、図４に示すように、理想的な積分値Ｓを含む積分値範囲Ｓ_l〜Ｓ_hの設定手段６４Ａを備え、主制御手段５８Ａはハンダ付けの終了を検出すると共に、積分手段６０が求める積分値Ｓがこの積分値範囲に含まれているか否かを判定する。すなわちＳ_l＜Ｓ＜Ｓ_hが成立する時にはハンダ付けは適正であると判定し、不成立であれば不適切と判定する。適正であれば次のワーク１４のハンダ付けに移る。不適切であれば適宜の警告手段により警告させたり、主制御手段５８Ａや他の装置にそのハンダ不良箇所についてのデータを記憶させる。

この実施例２の動作を示す図５においては、前記図２と対応するステップには同一の符号を付した。この実施例２が図２と異なるのは、ステップＳ１００Ａで積分値Ｓに変えて積分値の範囲Ｓ_l〜Ｓ_hを設定することと、外部あるいは主制御手段５８Ａで検出するハンダ付け終了（加熱終了）を示す信号（ステップＳ１５０）によってヒータチップ１２の加熱を停止し冷却することと（ステップＳ１５２）、ヒータチップ１２の加熱停止・冷却・ヘッド上昇させることと（ステップＳ１５４）、主制御手段５８Ａで積分値Ｓが設定範囲内に入っているかを判定して（ステップＳ１５６）、範囲外ならハンダ付け不適切として警報を出したりこのハンダ付け部位を記憶しておくこと（ステップＳ１５８）、である。

１０ 加圧式接合装置
１２ ヒータチップ（ヘッド）
１４ ワーク
１６ コイルばね
１８ ヒータチップ
３４ 昇降制御手段
５６ 温度制御手段
５８、５８Ａ 主制御手段
６０ 積分手段
６２ 始点設定手段
６４ 積分値設定手段
６４Ａ 積分値範囲設定手段

Claims (8)

1. パルス電流によりヒータチップの温度管理を行いながらハンダ付けを行うパルスヒート方式のハンダ付け方法において、
   温度ヒータチップの加熱温度上昇途中であってハンダ溶融温度よりも低い所定温度を始点として、ヒータチップ温度の時間積分値を継続して求め、この積分値を設定値と比較することによって、ハンダ付けの管理を行うことを特徴とするパルスヒート方式のハンダ付け管理方法。
2. 設定値は、チータチップの加熱終了時点までの積分値を設定する請求項１のパルスヒート方式のハンダ付け管理方法。
3. 設定値は、ヒータチップの適切な加熱終了に対応する積分値を含む所定範囲として設定し、ヒータチップの加熱終了時点での積分値がこの所定範囲内にあればハンダ付けは適切とし、この所定範囲外にあればハンダ付けは不適切とするパルスヒート方式のハンダ付け管理方法。
4. 加熱終了時点は、加熱時間で設定される請求項３のパルスヒート方式のハンダ付け管理方法。
5. 加熱終了時点は、ハンダ溶融に伴うヘッドの下降位置で設定する請求項２のパルスヒート方式のハンダ付け管理方法。
6. パルス電流によりヒータチップの温度管理を行いながらハンダ付けを行うパルスヒート方式のハンダ付け管理装置において、
   ヒータチップをワークに対してばねを介して押圧するばね加圧式接合装置と、
   ヒータチップを昇降制御する昇降制御手段と、
   ヒータチップ温度を検出する温度センサーと、
   ヒータチップに供給する加熱電流を制御する温度制御手段と、
   ハンダ溶融温度よりも低い所定温度を設定する始点設定手段と、
   前記始点設定手段の設定温度を始点として前記ヒータチップ温度の時間積分値を継続して求める積分手段と、
   ヒータチップの昇降およびヒータチップ温度を制御すると共に前記積分手段で求めた積分値を設定値と比較することによってハンダ付けの管理を行う主制御手段と、
   を備えることを特徴とするパルスヒート方式のハンダ付け管理装置。
7. 設定値はチータチップの加熱終了時点までの積分値を設定し、主制御手段はヒータチップ温度の時間積分値が前記設定値に一致した時にヒータチップの加熱を停止する請求項５のパルスヒート方式のハンダ付け管理装置。
8. 設定値は適切な加熱終了に対応する積分値を含む所定範囲として設定され、主制御手段はヒータチップ温度の時間積分値を前記設定値と比較してハンダ付けの適否を判定する請求項５のパルスヒート方式のハンダ付け管理装置。

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